JP2004170250A - トルクセンサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁性材製の第1シャフト3の外周を覆う非磁性材製の筒状磁気漏れ防止部材12の外周を磁性材製の第1検出筒13が覆う。磁性材製の第2検出筒14は、第1シャフト3に弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと同行回転すると共に、第1検出筒13の一端に一端が隙間をおいて対向する。第1検出筒13の一端と第2検出筒14の一端を通過する磁束を第1コイル16が発生することで構成される第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は、両シャフト3、4の伝達トルク変化による弾性的な相対回転量に応じて変化する。磁気漏れ防止部材12は、成形型に注入される合成樹脂材から型成形される。第1シャフト3と第1検出筒13は、成形型内に合成樹脂材の注入前に挿入されることで型成形される磁気漏れ防止部材12に同行回転するように一体化される。
【選択図】図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば操舵トルクに応じた操舵補助力を付与するパワーステアリング装置において、その操舵トルクを検出するのに用いられるトルクセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
図10に示す従来のトルクセンサ101は、磁性材製の第1シャフト102に第2シャフト103が弾性的に相対回転可能に連結される。第1シャフト102の外周は非磁性材製の磁気漏れ防止部材104により覆われ、磁気漏れ防止部材104の外周は磁性材製の第1検出筒105により覆われる。第2シャフト103に磁性材製の第2検出筒106が同行回転するように一体化される。第1シャフト102に磁性材製の第3検出筒107が同行回転するように一体化される。第1検出筒105の一端と第2検出筒106の一端は互いに隙間をおいて対向し、第1検出筒105の他端と第3検出筒107は互いに隙間をおいて対向する。第1検出筒105の一端と第2検出筒106の一端とを通過する磁束を発生することで第1磁気回路を構成する第1コイル108と、第1検出筒105の他端と第3検出筒107の一端とを通過する磁束を発生することで第2磁気回路を構成する第2コイル109がハウジング110により保持される。第1検出筒105の一端、第2検出筒106の一端、および第3検出筒107の一端は、周方向に沿って並列する複数の歯により構成され、第1検出筒105の他端は平坦面とされている。これにより、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は両シャフト102、103の弾性的な相対回転量に応じて変化し、第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は両シャフト102、103の弾性的な相対回転量に応じては変化しないものとされている。第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化は両シャフト102、103の弾性的な相対回転量に応じて変化するので、両シャフト102、103により伝達されるトルクに対応する。第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化は温度変動に対応する。これにより、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値と第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値との偏差に基づき両シャフト102、103により伝達されるトルクを求めることで、検出トルクの温度変動を補償できる。
【0003】
従来、上記のように磁気漏れ防止部材104によって第1検出筒105から第1シャフト102への磁気漏れを防止することで検出精度の低下を防止するタイプのトルクセンサ101においては、磁気漏れ防止部材104は第1シャフト102に嵌め合わされ、第1検出筒105は磁気漏れ防止部材104に嵌め合わされ、第1検出筒105と磁気漏れ防止部材104はピン120により第1シャフト102に一体化されていた(特許文献1参照)。
【0004】
【特許文献1】
実開平3−48740号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のトルクセンサ101においては、第1検出筒105の内周孔の仕上げ加工、第1検出筒105と磁気漏れ防止部材104と第1シャフト102へのピン孔の加工、そのピン孔へのピン120の圧入が必要で、加工コスト、組立コストが増大する原因となっていた。
【0006】
また、検出トルクの温度変動を抑制するためには、第1検出筒105の一端と第2検出筒106の一端との間の隙間、および第1検出筒105の他端と第3検出筒107の一端との間の隙間を高精度に管理する必要がある。そのため、第1検出筒105および磁気漏れ防止部材104の加工コスト、組立コストが増大する原因となっていた。
本発明は、上記課題を解決することのできるトルクセンサを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁性材製の第1シャフトと、その第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、その第1シャフトの外周を覆う非磁性材製の筒状磁気漏れ防止部材と、その磁気漏れ防止部材の外周を覆う磁性材製の第1検出筒と、その第2シャフトに同行回転するように一体化されると共に、その第1検出筒の一端に一端が隙間をおいて対向するように配置される磁性材製の第2検出筒と、その第1検出筒の一端と第2検出筒の一端とを通過する磁束を発生することで第1磁気回路を構成する第1コイルとを備え、その第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は、両シャフトの伝達トルク変化による弾性的な相対回転量に応じて変化するトルクセンサに適用される。本発明においては、その磁気漏れ防止部材は、成形型に注入される合成樹脂材から型成形され、その第1シャフトと第1検出筒は、その成形型内に合成樹脂材の注入前に挿入されることで、型成形される磁気漏れ防止部材に同行回転するように一体化されていることを特徴とする。
本発明によれば、第1シャフトと第1検出筒との間に介在する磁気漏れ防止部材は、第1シャフトと第1検出筒とを挿入した成形型内に合成樹脂材を注入することで型成形されるので、第1シャフトと第1検出筒と磁気漏れ防止部材とをピンを用いることなく一体化できる。これにより、ピン孔の加工、ピンの圧入、第1検出筒の内周孔の仕上げ加工が不要になる。
【0008】
その第1シャフトに同行回転するように一体化されると共に、その第1検出筒の他端に一端が隙間をおいて対向するように配置される磁性材製の第3検出筒と、その第1検出筒の他端と第3検出筒の一端とを通過する磁束を発生することで第2磁気回路を構成する第2コイルとを備え、その第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値と第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値との偏差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出され、その第1シャフトは、その第3検出筒に連結された状態でその成形型内に挿入され、その第1シャフトに、その磁気漏れ防止部材の第1シャフト軸方向における変位を規制する軸方向変位規制部が設けられているのが好ましい。これにより、磁気漏れ防止部材が低温環境下や成形型内での冷却時に熱収縮したり、高温環境下において熱膨張する際に、第1シャフト軸方向に変位するのを軸方向変位規制部により規制できる。よって、第1検出筒の一端と第2検出筒の一端との間の隙間、および第1検出筒の他端と第3検出筒の一端との間の隙間が変動するのを防止し、両隙間を高精度に設定し、検出トルクの温度変動を抑制できる。
その軸方向変位規制部として、その第1シャフトの外周に軸方向の間隔をおいて複数の周溝が設けられ、各周溝に、その磁気漏れ防止部材の内周における環状突部が嵌め合わされているのが好ましい。これにより複数の周溝の間においては、磁気漏れ防止部材が熱膨張や熱収縮により第1シャフト軸方向に変位するのを規制できるので、上記両隙間の温度変動をより効果的に規制できる。
【0009】
その第1シャフトに、その磁気漏れ防止部材の第1シャフト周方向における変位を規制する周方向変位規制部が設けられているのが好ましい。これにより、磁気漏れ防止部材の周方向における変位を周方向変位規制部により規制し、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗の変動を規制することで高精度にトルクを検出できる。この場合、その周方向変位規制部として、その第1シャフトの外周に周方向の間隔をおいて複数の軸方向溝が設けられ、各軸方向溝に、その磁気漏れ防止部材の内周における突条が嵌め合わされているのが好ましい。これにより複数の軸方向溝の間においては、磁気漏れ防止部材が熱膨張や熱収縮により第1シャフト周方向に変位するのを規制できるので、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗の変動をより効果的に規制できる。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1に示すトルクセンサ1は車両のパワーステアリング装置に用いられるものであって、ハウジング2と、操舵トルクを伝達するトルク伝達シャフトSとを備え、そのトルク伝達シャフトSは磁性材製の第1シャフト3と磁性材製の第2シャフト4を有する。
【0011】
第1シャフト3は、ハウジング2によりベアリング5を介して回転自在に支持され、図外ステアリングホイールに接続される。第2シャフト4は、ハウジング2によりベアリング6を介して回転自在に支持され、ステアリングギヤを介して自動車の車輪に接続される。第1シャフト3と第2シャフト4の中心孔に挿入されたトーションバー8は、一端側が第1シャフト3にピン9により連結され、他端側が第2シャフト4に図外ピン等により連結される。これにより、第2シャフト4は第1シャフト3に同軸中心に弾性的に相対回転可能に連結されている。第2シャフト4の外周にウォームホイール10が取り付けられ、このウォームホイール10に噛み合うウォーム11が、ハウジング2に取り付けられる操舵補助力発生用モータ(図示省略)により駆動される。
【0012】
第1シャフト3の外周は非磁性材製の筒状磁気漏れ防止部材12により覆われている。磁気漏れ防止部材12の外周は磁性材製の第1検出筒13により覆われている。第2シャフト4の外周に磁性材製の第2検出筒14が圧入により同行回転するように一体化されている。第1シャフト3の外周に磁性材製の第3検出筒15が圧入により同行回転するように一体化されている。第1検出筒13の一端は第2検出筒14の一端に隙間δ1をおいて対向するように配置されている。第1検出筒13の他端は第3検出筒15の一端に隙間δ2をおいて対向するように配置されている。第1検出筒13の一端、第2検出筒14の一端、および第3検出筒15の一端は、周方向に沿って並列する複数の歯13a、14a、15aにより構成されている。第1検出筒13の他端は平坦面とされている。
【0013】
磁気漏れ防止部材12は、成形型に合成樹脂材を注入することで型成形されている。第1シャフト3と第1検出筒13は、その成形型内に合成樹脂材の注入前に挿入されることで、型成形される磁気漏れ防止部材12に同行回転するように一体化されている。また、第1シャフト3は第3検出筒15に連結された状態でその成形型内に挿入される。
【0014】
図2〜図4に示すように、磁気漏れ防止部材12は、円筒部12aと、円筒部12aの一端から外方に延びる第1外方延出部12bと、円筒部12aの他端から外方に延びる第2外方延出部12cを有する。第1外方延出部12bは第1検出筒13の歯13aの間の領域に位置する。第2外方延出部12cは第1検出筒13の他端と第3検出筒15の一端との間の領域と第3検出筒15の歯15aの間の領域とに位置する。
【0015】
第1シャフト3の外周に、磁気漏れ防止部材12の第1シャフト軸方向における変位を規制する軸方向変位規制部として、軸方向の間隔をおいて複数の周溝61が設けられている。各周溝61に磁気漏れ防止部材12の内周における環状突部12′が嵌め合わされている。本実施形態では周溝61は5本とされている。
【0016】
また第1シャフト3の外周に、磁気漏れ防止部材12の第1シャフト周方向における変位を規制する周方向変位規制部として、周方向の間隔をおいて複数の軸方向溝62が設けられている。各軸方向溝62に磁気漏れ防止部材12の内周における突条12″が嵌め合わされている。本実施形態では軸方向溝62は4本とされている。
【0017】
ハウジング2により保持される磁性材製のホルダー17に、トルク伝達シャフトSを覆う第1コイル16と第2コイル18とが収納されている。第1コイル16が第1検出筒13の一端と第2検出筒14の一端を通過する磁束を発生することで第1磁気回路が構成されている。第2コイル18が第1検出筒13の他端と第3検出筒15の一端とを通過する磁束を発生することで第2磁気回路が構成されている。
【0018】
各コイル16、18に接続される検出回路が回路基板20に設けられている。図5は検出回路の一例を示すもので、第1コイル16は抵抗42を介して発振器43に接続され、第2コイル18は抵抗44を介して発振器43に接続される。また、第1コイル16は演算増幅器45の反転入力端子に接続され、第2コイル18は演算増幅器45の非反転入力端子に接続される。両シャフト3、4によるトルクの伝達時においては、そのトルクに応じてトーションバー8がねじれ、第1検出筒13と第2検出筒14とが同軸中心に相対回転する。この相対回転により第1検出筒13の一端の歯13aと第2検出筒14の一端の歯14aとの軸方向において重合する部分の面積が変化することから、その第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は、そのトルク変化による両シャフト3、4の弾性的な相対回転量に応じて変化する。その変化に応じて第1コイル16の出力が変化する。第1検出筒13と第3検出筒15とは同行回転するので、第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は、両シャフト3、4による伝達トルクの変化によっては変動することがない。その第1磁気回路における磁気抵抗は、両シャフト3、4によるトルクの非伝達時にあっては第2磁気回路における磁気抵抗と等しくされる。これにより、第1磁気回路における磁気抵抗の変化による第1コイル16の出力に基づき、トルク伝達シャフトSにより伝達されるトルクの検出信号が検出回路により生成される。さらに、第2コイル18の発生磁束が通過する第2磁気回路における磁気抵抗は、トルク伝達シャフトSによる伝達トルクの変化によっては変動しないので、温度変動による第1コイル16の出力変動と第2コイル18の出力変動とが演算増幅器45において打ち消される。すなわち、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値と第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値との偏差に基づき、両シャフト3、4により伝達されるトルクが検出され、また、検出トルクの温度変動が補償される。その検出トルクに応じて上記操舵補助力発生用モータが駆動されることで操舵補助力が付与される。
【0019】
上記実施形態によれば、第1シャフト3と第1検出筒13との間に介在する磁気漏れ防止部材12は、第1シャフト3と第1検出筒13とを挿入した成形型内に合成樹脂材を注入することで型成形されるので、第1シャフト3と第1検出筒13と磁気漏れ防止部材12とをピンを用いることなく一体化できる。これにより、ピン孔の加工、ピンの圧入、第1検出筒13の内周孔の仕上げ加工が不要になる。
また、磁気漏れ防止部材12が低温環境下や成形型内での冷却時に熱収縮したり、高温環境下において熱膨張する際に、第1シャフト軸方向に変位するのを軸方向変位規制部を構成する周溝61の内面により規制できる。よって、第1検出筒13の一端と第2検出筒14の一端との間の隙間δ1、および第1検出筒13の他端と第3検出筒15の一端との間の隙間δ2が変動するのを防止し、両隙間δ1、δ2を高精度に設定し、検出トルクの温度変動を抑制できる。その周溝61が複数とされることで、周溝61の間においては磁気漏れ防止部材12の第1シャフト軸方向における熱膨張と熱収縮の双方を規制できるので、各隙間δ1、δ2の温度変動をより効果的に規制できる。
さらに、磁気漏れ防止部材12の周方向における変位を周方向変位規制部を構成する軸方向溝62の内面により規制し、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗の変動を規制することで高精度にトルクを検出できる。その軸方向溝62が複数とされることで、軸方向溝62の間においては磁気漏れ防止部材12の第1シャフト周方向における熱膨張と熱収縮の双方を規制できるので、第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗の変動をより効果的に規制できる。
【0020】
本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、周溝61の数は特に限定されず単一でもよいが複数である方が好ましい。例えば、図6の第1変形例に示すように周溝61を単一として第3検出筒15の内方に配置した場合、低温環境下や成形型内での冷却時に熱収縮により磁気漏れ防止部材12が矢印α方向へ軸方向変位するのが周溝61の内面により規制され、また、矢印β方向へ軸方向変位するのは第2外方延出部12cを介して第3検出筒15の端面により規制されるので、隙間δ1、δ2の変動は小さくなる。図7の第2変形例に示すように周溝61を単一として第1検出筒13の歯13aの内方に配置した場合、高温環境下に熱膨張により磁気漏れ防止部材12が矢印α方向へ軸方向変位するのが周溝61の内面により規制され、また、矢印β方向へ軸方向変位するのは第2外方延出部12cを介して第3検出筒15の端面により規制されるので、隙間δ1、δ2の変動は小さくなる。よって、磁気漏れ防止部材12の熱収縮と熱膨張の双方による変位を規制する上では、周溝61を第1シャフト3の軸方向において離れた2位置に配置するのがより好ましい。また、図8の第3変形例に示すように周溝61を単一として第1検出筒13の両端間に配置した場合、低温環境下や成形型内での冷却時における熱収縮による磁気漏れ防止部材12における第2検出筒14寄り部分の矢印α方向への変位と、第3検出筒15寄り部分の矢印β方向への変位とが周溝61の内面により規制され、また、第2検出筒14寄り部分の矢印β方向への変位と第3検出筒15寄り部分の矢印α方向への変位とは互いに相殺するので、隙間δ1、δ2の変動は小さくなる。よって、周溝61を第1シャフト3の軸方向において離れた2位置だけでなく、第1検出筒13の両端間にも配置するのが好ましく、その数は多い方が磁気漏れ防止部材12の熱収縮と熱膨張による軸方向変位を規制する上で好ましい。温度を−50℃〜100℃の範囲で変動させた場合のトルクセンサ1の出力変動率は、周溝61を単一とした場合は約10%であったのが、周溝61を5本とすることで約5%になった。その周溝61の深さと幅は、周溝61内での合成樹脂材の熱変形の影響を小さくするため、磁気漏れ防止部材12の軸方向変位を規制することができる範囲で可及的に小さくするのが好ましく、例えば深さを0.2mm〜2mm、幅を0.2mm〜2mmとする。
軸方向溝62の数も特に限定されず単一でもよいが複数である方が好ましい。その軸方向溝62の深さと幅は、軸方向溝62内での合成樹脂材の熱変形の影響を小さくするため、磁気漏れ防止部材12の周方向変位を規制することができる範囲で可及的に小さくするのが好ましく、例えば深さを0.2mm〜2mm、幅を0.2mm〜2mmとする。
また、図9の第4変形例に示すように、軸方向変位規制部および周方向変位規制部を兼用するものとして、上記のような周溝61や軸方向溝62に代えて第1シャフト3の外周に綾目のローレット63を設けてもよく、そのローレット63の深さ(山と谷の高低差)は例えば0.2mm〜2mmとする。
また、温度変動の補償や高精度のトルク検出が必要ない場合や、別の手段により温度変動の補償やトルク検出精度の向上を図る場合は第3検出筒15は不要であり、軸方向変位規制部や周方向変位規制部も不要である。さらに、本発明が適用されるトルクセンサを操舵トルク以外のトルクを検出するために用いてもよい。
【0021】
【発明の効果】
本発明のトルクセンサによれば、加工コスト、組立コストを低減でき、しかも検出トルクの温度変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態のトルクセンサの縦断面図
【図2】本発明の実施形態のトルクセンサにおける第1シャフトと第1検出筒と第3検出筒と磁気漏れ防止部材の縦断面図
【図3】図2のIII−III線断面図
【図4】図2のIV−IV線断面図
【図5】本発明の実施形態のトルクセンサにおける検出回路の構成説明図
【図6】本発明の第1変形例のトルクセンサにおける第1シャフトと第1検出筒と第3検出筒と磁気漏れ防止部材の縦断面図
【図7】本発明の第2変形例のトルクセンサにおける第1シャフトと第1検出筒と第3検出筒と磁気漏れ防止部材の縦断面図
【図8】本発明の第3変形例のトルクセンサにおける第1シャフトと第1検出筒と第3検出筒と磁気漏れ防止部材の縦断面図
【図9】本発明の第4変形例のトルクセンサにおける第1シャフトと第1検出筒と第3検出筒と磁気漏れ防止部材の部分破断側面図
【図10】従来例のトルクセンサの縦断面図
【符号の説明】
1 トルクセンサ
3 第1シャフト
4 第2シャフト
12 磁気漏れ防止部材
12′ 環状突部
12″ 突条
13 第1検出筒
14 第2検出筒
15 第3検出筒
16 第1コイル
18 第2コイル
61 周溝(軸方向変位規制部)
62 軸方向溝(周方向変位規制部)
Claims (5)
- 磁性材製の第1シャフトと、
その第1シャフトに弾性的に相対回転可能に連結される第2シャフトと、
その第1シャフトの外周を覆う非磁性材製の筒状磁気漏れ防止部材と、
その磁気漏れ防止部材の外周を覆う磁性材製の第1検出筒と、
その第2シャフトに同行回転するように一体化されると共に、その第1検出筒の一端に一端が隙間をおいて対向するように配置される磁性材製の第2検出筒と、その第1検出筒の一端と第2検出筒の一端とを通過する磁束を発生することで第1磁気回路を構成する第1コイルとを備え、
その第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗は、両シャフトの伝達トルク変化による弾性的な相対回転量に応じて変化するトルクセンサにおいて、
その磁気漏れ防止部材は、成形型に注入される合成樹脂材から型成形され、
その第1シャフトと第1検出筒は、その成形型内に合成樹脂材の注入前に挿入されることで、型成形される磁気漏れ防止部材に同行回転するように一体化されていることを特徴とするトルクセンサ。 - その第1シャフトに同行回転するように一体化されると共に、その第1検出筒の他端に一端が隙間をおいて対向するように配置される磁性材製の第3検出筒と、
その第1検出筒の他端と第3検出筒の一端とを通過する磁束を発生することで第2磁気回路を構成する第2コイルとを備え、
その第1磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値と第2磁気回路における通過磁束に対する磁気抵抗変化に対応する値との偏差に基づき、両シャフトにより伝達されるトルクが検出され、
その第1シャフトは、その第3検出筒に連結された状態でその成形型内に挿入され、
その第1シャフトに、その磁気漏れ防止部材の第1シャフト軸方向における変位を規制する軸方向変位規制部が設けられている請求項1に記載のトルクセンサ。 - その軸方向変位規制部として、その第1シャフトの外周に軸方向の間隔をおいて複数の周溝が設けられ、
各周溝に、その磁気漏れ防止部材の内周における環状突部が嵌め合わされている請求項2に記載のトルクセンサ。 - その第1シャフトに、その磁気漏れ防止部材の第1シャフト周方向における変位を規制する周方向変位規制部が設けられている請求項1〜3の中の何れかに記載のトルクセンサ。
- その周方向変位規制部として、その第1シャフトの外周に周方向の間隔をおいて複数の軸方向溝が設けられ、
各軸方向溝に、その磁気漏れ防止部材の内周における突条が嵌め合わされている請求項4に記載のトルクセンサ。
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